Bonding

Nachdem der Die durch das Die Attach mechanisch auf dem Substrat befestigt wurde, müssen seine Anschlusskontakte noch elektrisch mit den Anschlüssen des Gehäuses beziehungsweise des Substrats verbunden werden. Für diese Kontaktierung haben sich vor allem zwei grundsätzliche Verfahren etabliert: das Draht-Bonden (Wire Bonding) und die Flip-Chip-Technik.

Beim Draht-Bonden zeigt die aktive Seite des Dies nach oben. Feine Bonddrähte verbinden die einzelnen Kontaktflächen (Pads) auf dem Chip mit den entsprechenden Anschlüssen auf dem Substrat oder Leadframe. Das Verfahren ist sehr flexibel, ausgereift und lässt sich für eine große Zahl unterschiedlicher Gehäuse einsetzen.

Beim Flip-Chip-Verfahren wird der Die dagegen mit seiner aktiven Seite nach unten auf das Substrat gesetzt. Die elektrische Verbindung erfolgt direkt über kleine Kontaktstellen wie Lötbumps oder Kupfersäulen zwischen Chip und Substrat. Dadurch können sehr viele Anschlüsse auf einer kleinen Fläche untergebracht und wesentlich kürzere elektrische Verbindungswege realisiert werden.

Beim Draht-Bonden werden sehr dünne Drähte aus beispielsweise Gold, Kupfer oder Aluminium zwischen den Bondpads des Dies und den Anschlussflächen des Substrats beziehungsweise Leadframes verlegt. Besonders verbreitet ist das thermosonische (Kombination von Wärme (thermo) und Ultraschall (sonisch)) Ball-Wedge-Bonden. Dabei wird der Draht durch eine feine keramische Kapillare geführt, die den Draht nicht nur positioniert, sondern gleichzeitig als Bondwerkzeug dient.

Vor dem ersten Bond wird zunächst das aus der Kapillare herausragende Drahtende aufgeschmolzen. Hierzu erzeugt eine Elektrode unterhalb des Drahtes einen kurzen elektrischen Funken, den sogenannten Electronic Flame-Off (EFO). Die Drahtspitze schmilzt lokal auf und zieht sich durch die Oberflächenspannung zu einer kleinen Kugel zusammen. Diese frei unterhalb der Kapillare entstandene Kugel wird als Free-Air-Ball bezeichnet. Der Vorgang dauert nur einen Bruchteil einer Millisekunde bis wenige Millisekunden; typische EFO-Zeiten liegen ungefähr zwischen 0,1 und 2 ms.

Die Kapillare fährt anschließend auf das Bondpad des Dies und drückt den Ball auf die metallisierte Kontaktfläche. Durch die Kombination aus Anpresskraft, Ultraschallschwingungen und einer moderaten Erwärmung werden die beiden Metalloberflächen intensiv miteinander in Kontakt gebracht. Der Ball wird dabei abgeflacht und es entsteht eine feste metallurgische Verbindung mit dem Bondpad. Dieser erste Verbindungspunkt wird als Ball-Bond bezeichnet. Auch die eigentliche Bondphase ist extrem kurz: Anpresskraft und Ultraschall wirken typischerweise nur etwa 5 bis 20 ms auf die Kontaktstelle ein.

Anschließend hebt sich die Kapillare vom Chip ab und bewegt sich zum zweiten Bondpunkt auf dem Substrat oder Leadframe. Während dieser Bewegung wird kontinuierlich Draht durch die Kapillare nachgeführt. Die Bewegungsbahn der Kapillare bestimmt dabei die Form des charakteristischen Drahtbogens, des sogenannten Bond-Loops. Dieser darf weder zu hoch sein noch andere Bonddrähte oder Gehäusestrukturen berühren. Das Formen des Loops und die Bewegung zum zweiten Bondpunkt dauern ebenfalls nur einige bis wenige zehn Millisekunden und machen bei sehr schnellen Anlagen einen erheblichen Teil der gesamten Zykluszeit aus.

Am zweiten Bondpunkt wird nicht erneut eine Kugel erzeugt. Stattdessen presst die Unterseite der Kapillare den Draht direkt auf die Anschlussfläche. Anpresskraft und Ultraschall verformen den Draht und erzeugen einen flachen zweiten Kontakt, der als Stitch-Bond beziehungsweise Wedge-Bond bezeichnet wird. Daher stammt die Bezeichnung Ball-Wedge-Bonden: Auf der Chipseite befindet sich ein Ball-Bond, auf der gegenüberliegenden Seite ein flacher Wedge- beziehungsweise Stitch-Bond. Die Ultraschall-Bondzeit liegt auch hier typischerweise nur bei einigen Millisekunden, beispielsweise etwa 5 bis 10 ms.

Nach dem zweiten Bond hält eine Drahtklemme den Bonddraht fest. Die Kapillare fährt nach oben, wodurch der Draht unmittelbar hinter dem zweiten Bond an einer definierten Stelle abreißt. Ein kurzes Drahtstück bleibt unterhalb der Kapillare stehen. An diesem Drahtende erzeugt der Electronic Flame-Off anschließend den nächsten Free-Air-Ball, und der Vorgang beginnt für die nächste Verbindung von vorn.

Vom ersten Ball-Bond bis zum fertigen Stitch-Bond vergehen bei automatischen Hochgeschwindigkeits-Bondern insgesamt häufig nur einige zehn bis wenige hundert Millisekunden. Je nach Anwendung sind etwa 5 bis über 20 vollständige Drahtverbindungen pro Sekunde möglich. Ein einzelner Anschluss kann damit beispielsweise in rund 40 bis 200 ms gebondet werden. Bei einem Die mit 100 Bondverbindungen benötigt allein das eigentliche Draht-Bonden somit grob nur wenige Sekunden bis einige zehn Sekunden; zusätzliche Zeiten für Ausrichtung, Handhabung und Werkstückwechsel kommen noch hinzu.

Neben dem Ball-Wedge-Bonden existiert das Wedge-Wedge-Bonden. Hier wird keine Kugel erzeugt; stattdessen entstehen an beiden Enden des Drahtes flache Wedge-Bonds. Dieses Verfahren wird häufig mit Aluminiumdraht und Ultraschall eingesetzt und spielt unter anderem bei Leistungsbauelementen und speziellen Hochfrequenzanwendungen eine wichtige Rolle.